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Experimentelle Untersuchung zur Auflösungskinetik von Kaolinit und Montmorillonit in Anwesenheit von Sulfat, Phosphat, Amino- und Carbonsäuren sowie Harnstoff im offenen und geschlossenen System

dc.contributor.advisorDietzel, Martin Prof. Dr.de
dc.contributor.authorHillebrecht, Jensde
dc.date.accessioned2006-03-08T15:24:24Zde
dc.date.accessioned2013-01-18T11:29:01Zde
dc.date.available2013-01-30T23:50:15Zde
dc.date.issued2006-03-08de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B327-9de
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-2410
dc.description.abstractGegenstand der vorliegenden Untersuchung ist die Dechiffrierung der Mechanismen und Kinetik der Reaktionen an der Grenzfläche Festkörper-Lösung durch Experimente unter gut definierten physiko-chemischen Randbedingungen. Zu diesem Zweck wurden Auflösungsexperimente mit den weit verbreiteten Tonmineralen Kaolinit und Montmorillonit durchgeführt. Diese sind Bestandteil zahlreicher Sedimente und maßgeblich am Stoffumsatz in Böden beteiligt. Es wurden die Grenzfälle eines offenen (Durchflussversuche) und eines geschlossenen Systems (Batchversuche) in Bezug auf die fluide Phase untersucht. Auf diese Weise können die Reaktionsprozesse und -mechanismen in hochpermeablen Horizonten bis hin zu vollständig abgeschlossenen Porenräumen simuliert werden. Als Modellsubstanzen wurden anorganische Reagentien (Schwefelsäure, Phosphat) und organische Komponenten (Amino- und Carbonsäuren sowie Harnstoff) ausgewählt, welche sich durch definierte Strukturen und bekannte funktionelle Gruppen auszeichnen. Dies ermöglichte eine systematische Untersuchung der Wechselwirkung zwischen den gelösten Komponenten und den jeweiligen Festkörperoberflächen.Bei den Untersuchungen kann zwischen überwiegend protonengesteuerten Auflösungsreaktionen und ligandenkontrollierten Auflösungsmechanismen unterschieden werden. Die Auflösung beginnt mit Sorption der gelösten Reaktanten an die Mineraloberfläche (outer-sphere), anschließend kommt es zur Bildung von Oberflächenkomplexen (inner-sphere), gefolgt von der Ablösung der hydratisierten oder komplexierten Metallkationen in die Lösung. Während sich beim Montmorillonit die Kristallite nur von den Rändern nach innen auflösen, sind beim Kaolinit grundsätzlich auch die Aluminol-Gruppen der Gibbsit-Schicht reaktiv.Die Interaktionen zwischen den Tonmineralen und den Lösungen mit ihren diversen Reaktanten ließen sich durch Fixierung gelöster Komponenten am Festkörper, Einlagerung gelöster Komponenten und Änderung der Lösungszusammensetzung im Verlauf der Versuche beobachten.Die ermittelten Auflösungsraten für die Kieselsäure dokumentieren jeweils den Reaktionsablauf in Bezug auf den Abbau der Silikatstruktur. Dagegen wird die Konzentration der beim Auflösungsprozess in Lösung gehenden Kationen Al und Fe im pH-Bereich 2 bis 3 durch zusätzliche Prozesse gesteuert. Diese sekundären Reaktionen beziehen sich auf Sorption an die Festkörperoberfläche und auf Ionenaustausch, wobei sie stark durch die unterschiedlichen Komplexierungseigenschaften der in Lösung befindlichen Reaktanten beeinflusst werden. Die Bildung von Al-Komplexen in der Lösung durch Liganden, wie Oxalsäure, verursacht eine Reduktion der Sorption.Im Fall des Montmorillonits werden die Na-Ionen aus der Zwischenschicht durch Ionenaustausch weitgehend in die Lösung transferiert. Der Verlauf der Mg-Konzentrationen zeigt demgegenüber keine Beeinflussung durch simultan ablaufende Nebenreaktionen.Beim Einsatz von Oxalsäure ist sowohl bei den Versuchen mit Kaolinit als auch bei denen mit Montmorillonit eine deutliche Zunahme der Auflösungsrate für Kieselsäure im Vergleich zu den anderen verwendeten Modellsubstanzen zu beobachten. Dagegen wird mit Essigsäure eine Reduzierung der Auflösungsrate registriert.Die Auflösungsraten sind in der Anfangsphase der Batchversuche (geschlossenes System) vergleichbar mit denjenigen im offenen System beim Erreichen des stationären Zustands. Im weiteren Versuchsverlauf nehmen jedoch die Auflösungsraten in den Batchversuchen aufgrund der Akkumulation in Lösung gegangener Ionen ab.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isogerde
dc.rights.urihttp://webdoc.sub.gwdg.de/diss/copyr_diss.htmlde
dc.titleExperimentelle Untersuchung zur Auflösungskinetik von Kaolinit und Montmorillonit in Anwesenheit von Sulfat, Phosphat, Amino- und Carbonsäuren sowie Harnstoff im offenen und geschlossenen Systemde
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedExperimental study on the dissolution kinetics of kaolinite und montmorillonite in the presence of sulfate, phosphate, amino and carboxylic acids as well as urea in open and closed systemsde
dc.contributor.refereeRuppert, Hans Prof. Dr.de
dc.date.examination2005-10-27de
dc.subject.dnb550 Geowissenschaftende
dc.description.abstractengThe aim of the present study is to decipher mechanisms and kinetics for the reactions at the solid/liquid interface by experiments at well defined physical/chemical conditions. For this purpose, dissolution experiments with the widespread clay minerals kaolinite and montmorillonite were carried out. These minerals are ubiquitous components of sediments and considerably involved in geochemical cycles of soils. The study is focused on the boundary conditions of open (flow experiments) and closed systems (batch experiments) with respect to the fluid. Results permit to simulate reaction processes and mechanisms in highly permeable horizons up to completely closed interstitial pore spaces. Inorganic (sulfuric acid, phosphate) and organic components (amino and carboxylic acids as well as urea) were selected as model substances. These components comprise different and well known structures and functional groups. Accordingly, a systematic investigation of the interaction between aqueous components and respective solid surfaces can be carried out.The results clearly show both, mainly proton controlled dissolution reactions and ligand controlled dissolution mechanisms. The dissolution starts with sorption of the aqueous component at the mineral surface (outer-sphere), followed by a formation of surface complexes (inner-sphere) and partly liberation of hydrated or complexed metal cations into the solution. Montmorillonite dissolves at the edges of the crystals, whereas for kaolinite the aluminol groups at the gibbsite layer may be also involved in dissolution mechanisms.Interactions between the clay minerals and aqueous solutions are verified by fixation of dissolved components at the mineral surface, intercalation of dissolved components, and change of solution chemistry during an experimental run.The decomposition of the silicate lattice can be followed by the obtained dissolution rates for silicic acid, whereas liberation of aluminum and iron is controlled by additional reactions, especially in the pH-range from 2 to 3. Such secondary reactions are referred to sorption at the solid surface and ion exchange, which are strongly controlled by the specific affinities of the aqueous components. Formation of aqueous aluminium complexes by ligands such as oxalic acid leads to a significant sorption reduction.In the case of montmorillonite, intercalated sodium ions are rapidly transferred into the solution by ion exchange. For the release of magnesium ions no simultaneously reactions occur.In both sets of experiments, the presence of oxalic acid reveals a strong increase of dissolution rates for silica compared to the other model substances, whereas acetic acid causes a significant decrease of the respective rates.In general, dissolution rates at the initial stage of batch experiments (closed system) show the same order of magnitude compared to those obtained at the steady state in open systems. However, dissolution rates for batch experiments continuously decrease with ongoing reaction time due to accumulation of dissolved ions.de
dc.contributor.coRefereeDietzel, Martin Prof. Dr.de
dc.subject.topicMathematics and Computer Sciencede
dc.subject.gerKaolinitde
dc.subject.gerMontmorillonitde
dc.subject.gerAuflösungsexperimentede
dc.subject.gerVerwitterungsratende
dc.subject.engkaolinitede
dc.subject.engmontmorillonitede
dc.subject.engdissolution experimentsde
dc.subject.engweathering ratesde
dc.subject.bk38.30de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-676-9de
dc.identifier.purlwebdoc-676de
dc.affiliation.instituteFakultät für Geowissenschaften und Geographiede
dc.subject.gokfullVHC 700: Tonmineralede
dc.subject.gokfullVJ 000: Geochemiede
dc.subject.gokfullVJC 400: Fluid-Gestein-Wechselwirkungen {Geochemie}de
dc.identifier.ppn579209148de


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